Глава 6 СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
Назад: 5.3
Технологические особенности сварки.
6.1 Проблемы свариваемости
Сварные
конструкции из разнородных металлов и сплавов применяются в судостроении, химической
и нефтехимической, авиационной и энергетической промышленности. В целях
снижения веса, улучшения эксплуатационных характеристик изделий и экономии
цветных металлов или легированных сталей широко используются сталеалюминиевые,
сталетитановые, сталемедные, медноникелевые и другие сварные соединения
(трубопроводы, биметаллические переходники, емкости, палубные надстройки, трапы
и т.п.), сочетающие в себе высокие механические свойства с хорошей тепло- и электропроводностью,
высокой коррозионной или термической стойкостью и т.п. Достаточно широко используются
также сочетания тугоплавких и химически активных металлов (W, Mo, Nb, Zr) с
коррозионностойкими и жаропрочными сталями (узлы двигателей, атомных
реакторов).
Проблема
сварки разнородных металлов и сплавов обусловлена их различными физическими (Тпл,
t, 
, 
и т. д.),
механическими (
в, т, 
, НВ) и физико-химическими свойствами (ограниченная взаимное растворимость
элементов в сплаве, образование в месте контакта интерметаллидов, активное и
различное взаимодействие с газами Н2, О2 и N2
и шлаками неодинаковая чувствительность к росту зерна образующихся фаз при
нагреве и т.д.). Эти факторы существенно усложняют технологию сварки. Наилучшие
свойства соединений достигаются, когда компоненты металлов обладают неограниченной
взаимной растворимостью, и значительно хуже свариваются металлы, компоненты
металлов которых образуют ограниченный ряд твердых растворов или химические
соединения. Последние, как правило, характеризуются высокой твердостью,
постоянством температуры плавления, плотности и коэффициентов линейного
расширения. Данные о характере взаимодействии элементов при Т = 20 0С,
составляющих основу наиболее распространенных свариваемых разнородных металлов,
представлены в табл. 6.1. Как видно, только незначительная часть элементов при
взаимодействии образуют непрерывный ряд растворов, остальные имеют ограниченную
взаимную растворимость и образуют химические соединения.
Таблица
6.1 – Характер взаимодействия между элементами при Т = 20 0С
По
современным представлениям [1,2] процесс образования прочных связей в сварном соединения,
из однородных и разнородных металлов, условно разделяют на три стадии, отличающихся
длительностью протекания происходящих процессов (рис. 6.1).
Рис. 6.1 –
Схема изменения прочности сварного соединения в процессе
физического
(А) и химического (Б,В) взаимодействия поверхностей:
1 – процесс растворения;
2 – процесс образования химических соединений
1.
Подготовительная стадия, заключающаяся в сближении соединяемых поверхностей
металла на расстояния, обеспечивающие образование физического контакта, при
котором может возникнуть межатомное взаимодействие. При сварке плавлением это
достигается путем расплавления и растекания жидкого металла по поверхности
твердого металла, а при контактной сварке - за счет пластической деформации
твердых металлов. На этой стадии за счет вложенной энергии сварки, соединяемые
поверхности лишь активируются, а прочность соединения весьма низкая.
2.
Вторая стадия – это образование химически прочных связей между атомами
соединяемых металлов, образующихся в процессе смачивания по местам контактирования
жидкого металла с активной поверхностью твердого металла.
При
одновременном расплавлении обеих кромок металла первая и вторая стадии
практически происходят одновременно, а при расплавлении одной из соединяемых
кромок (менее тугоплавкой) вторая стадия образования соединения несколько
задерживается относительно первой на время, необходимое для термической активации
поверхности твердой кромки (кривая на участке Б смещается вправо на рис. 6.1).
Эта задержка получила название периода ретардации.
3.
Третья завершающая стадия характеризуется развитием диффузионных и
релаксационных процессов в зоне сварного шва влияющих на количество и размеры химических
хрупких соединений (прослоек) в шве а также на величину остаточных напряжений.
Процессы, протекающие на этой стадии определяются значениями температуры и
характером взаимодействия соединяемых материалов (время контактирования,
содержание газов и примесей, склонность к росту фаз и т.д.).
Из
рис. 6.1 следует, что если длительность контактирования жидкого и твердого
металлов в разнородном соединении меньше периода ретардации, то можно получать
надежное соединение металлов даже с ограниченной взаимной растворимостью
компонентов без значительных промежуточных хрупких интерметаллидных фаз. Однако
в реальных условиях сварки получение соединения без хрупких фаз затруднено, т.
к. во-первых, при относительно больших площадях взаимодействия фактическое
контактирование происходит не по всей поверхности одновременно, а, во-вторых,
время ретардации увеличивается из-за наличия в соединяемых металлах примесей и
легирующих элементов, а также из-за реакций взаимодействия между элементами и
окружающей средой. Поэтому при сварке приходится считаться с увеличением
времени контактирования, когда заведомо образуется плотный и равномерный слой
интерметаллидов, связывающий соединяемые металлы, но обладающий более низкой пластичностью.
Дополнительную трудность сварки большинства разнородных металлов вызывают их
активность по отношению к О2, N2 и С, приводящая к
образованию в шве окислов, карбидов и нитридов, охрупчивающих шов.
Решение
проблем свариваемости разнородных металлов можно обеспечить технически
целесообразными приемами:
1)
обеспечение минимальнго времени контактирования соединяемых металлов в жидком состоянии,
что снижает количество (толщину) или полностью предотвращает образование
хрупких интерметаллидных фаз;
2)
обеспечение надежной защиты расплавленного металла от взаимодействия с
окружающим воздухом;
3)
подбор и использование промежуточных металлов (вставок), удовлетворительно
растворяющихся в обоих соединяемых металлах и предотвращающих образование
хрупких интерметаллидов;
4)
подавление роста интерметаллидных хрупких фаз соответствующим легированием шва.
Современные
сварочные материалы и оборудование позволяют реализовать эти приемы за счет
регулирования состава шва и степени нагрева более тугоплавкого металла
(электронно-лучевая сварка, дуга косвенного действия, смещение источника тепла
на одну из кромок), использования в качестве защиты вакуума или нейтральных
газов Ar и He высокой чистоты, путем тщательной очистки ( например травление)
свариваемых поверхностей или их предварительного покрытия поверхностно-активным
слоем, предохраняющим кромки от окисления, снижающим энергию активации,
улучшающим смачивание между жидким легкоплавким металлом и нагретой поверхностью
тугоплавкого металла и т. д.
Более
подробную информацию об особенностях свариваемости разнородных металлов и
сплавов можно получить в литературе. [7,5]
Особенности
технологии сварки разнородных металлов представляется целесообразным рассматривать
в двух аспектах:
1)
сварка сталей с цветными металлами и их сплавами;
2)
сварка разнородных цветных металлов и сплавов.